Ресурсосберегающая химико-технологическая система водного хозяйства производства стекломатериалов

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Специальность 03.02.08 - Экология

Ресурсосберегающая химико-технологическая система водного хозяйства производства стекломатериалов

Усанова Ольга Александровна

Иваново 2010

Работа выполнена в ГОУВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» на кафедре общей химической технологии.

Научный руководитель: Невский Александр Владимирович, доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Кручинина Наталия Евгеньевна, доктор технических наук, профессор; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Корчагин Владимир Иванович, доктор технических наук, доцент; Воронежская государственная технологическая академия

Ведущая организация: Московский государственный университет инженерной экологии

Защита состоится 24 декабря 2010 г. в 10-00 часов в ауд. Г-205 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.063.02 при ГОУВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

Автореферат диссертации разослан «……..» ноября 2010 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций, д.т.н., ст.н.с. Гришина Е.П.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

водный производственный стекломатериал

Актуальность проблемы.

Принятые мировым сообществом принципы устойчивого социально-экономического развития предусматривают создание ресурсосберегающих экологически безопасных производств, основу которых составляют эффективно действующие химико-технологические системы (ХТС). Особый интерес в связи с этим представляет изучение принципов проектирования ресурсосберегающих ХТС промышленных предприятий на основе изучения физико-химической сути технологических процессов, рассмотрения их термодинамических, технологических, экологических и экономических особенностей.

В современных условиях наблюдается ускоренное развитие и модернизация ХТС по производству стекломатериалов - высокотехнологичных изделий, находящих применение в приборостроении, машиностроении, светотехнике, электротехнике и других производственных областях. Тем не менее, имеющее место техническое перевооружение данных производств, к сожалению, не всегда связано с отказом от ресурсоемкого подхода к организации их систем водного хозяйства. Всего лишь порядка половины действующих в данной отрасли технологических схем соответствуют современному мировому уровню, а около трети являются устаревшими и не имеют резервов для модернизации.

В этой связи решение такой научной проблемы, как разработка и развитие методологии проектирования ресурсосберегающих водопотребляющих ХТС (ВХТС) производства стекломатериалов с целью повышения их технико-экономической эффективности и экологической безопасности является актуальной задачей.

Эколого-технологический анализ функционирования производств по выпуску стекломатериалов показал, что большинство их водоиспользующих технологических процессов представляют собой незамкнутые системы. Получение в них целевого продукта требует существенных сырьевых затрат, особенно такого ценного сырья, как свежая вода и энергетических ресурсов, в частности, затрат энергии на транспортировку, обработку воды, и сопровождается образованием значительного объема отработанной технологической воды. Даже для предприятий, оборудованных системами оборотного водоснабжения, количество потребляемой свежей воды в несколько раз превышает объем перерабатываемого сырья. Высокий уровень водопотребления обусловливает значительный объем образования сточных вод (СВ) производств по выпуску стекломатериалов, содержащих специфические загрязняющие вещества (ЗВ). Сброс недостаточно очищенных СВ данных производств осуществляется в природные водные объекты. Особенно остро стоит проблема антропогенного загрязнения водного бассейна в регионах с развитой промышленной инфраструктурой, таких как Центральный и Приволжский Федеральные округа России.

Содержание работы соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации: экология и рациональное природопользование; производственные технологии; а также перечню критических технологий Российской Федерации: природоохранные технологии, переработка и утилизация техногенных образований и отходов; снижение риска и уменьшение последствий природных и техногенных катастроф.

Работа выполнена в соответствии с планом проекта Минобразования РФ № 01.03.005: «Научные основы и новые принципы синтеза ресурсосберегающих химико-технологических систем водопотребления промышленных предприятий» и гранта № 04-05-78035 Российского фонда фундаментальных исследований.

Цель работы:

Разработка научно-обоснованной ресурсосберегающей химико-технологической системы водного хозяйства производств по выпуску стекломатериалов, обеспечивающей сокращение удельных нормативов потребления свежей воды и отведения сточных вод, уменьшение массы сброса загрязняющих веществ в водоемы со сточными водами, высокоэффективную технологию локальной обработки сточных вод для их повторного использования.

Задачи работы.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1) провести комплексный эколого-технологический анализ основных производственных процессов действующих предприятий по выпуску стекломатериалов (стекловолокна, стеклоткани, бронированного стекла), способов организации и режимов эксплуатации их систем водопотребления и водоотведения;

2) развить и применить термодинамический эксергетический метод анализа при проектировании ресурсосберегающих ВХТС промышленных предприятий, позволяющий научно аргументировать решение проблемы разделения - смешивания водных технологических потоков производств по выпуску стекломатериалов;

3) применить водный термодинамический пинч-метод проектирования высокоэффективных ресурсосберегающих ВХТС промышленных предприятий с целью организации повторно-последовательного использования технологической воды и обеспечения существенного сокращения удельных нормативов потребления свежей воды и отведения СВ производствами по выпуску стекломатериалов;

4) изучить эффективность электромембранного метода обработки СВ производств по выпуску стекломатериалов и установить параметры процесса для обеспечения возможности повторного использования ценных сырьевых компонентов - серной и плавиковой кислот.

5) провести оценку эколого-экономической эффективности предлагаемых инновационных технических решений.

Научная новизна.

В ходе работы получены результаты, свидетельствующие о новом вкладе в теорию создания ресурсосберегающих систем водного хозяйства промышленных предприятий, а именно:

1) на базе термодинамического подхода показана возможность применения методологии проектирования ресурсосберегающих систем водного хозяйства промышленных предприятий для проектирования ресурсосберегающей ВХТС производств по выпуску стекломатериалов;

2) предложена методика оптимизации поэтапного проектирования ресурсосберегающих ВХТС при использовании термодинамического эксергетического анализа в условиях обработки значительного массива данных по вариантам разделения - смешивания водных технологических потоков;

3) исследованы физико-химические закономерности электромембранного метода обработки СВ производств по выпуску стекломатериалов с целью извлечения и повторного использования ценного сырья - серной и плавиковой кислот.

Практическое значение.

На основании научных результатов исследования, выводов и обобщений, сделанных в ходе работы, предприняты шаги к их реализации:

1) разработана ресурсосберегающая ВХТС производства по выпуску стекломатериалов (стекловолокна, стеклоткани, бронированного стекла), представляющая собой сочетание подсистем: разделения - смешивания индивидуальных водных технологических потоков производственных подразделений; повторно-последовательного использования технологической воды; высокоэффективной локальной электромембранной обработки СВ; водооборотной системы технологической воды;

2) предложены способы ресурсосбережения при функционировании производств по выпуску стекломатериалов: снижение удельных норм водопотребления и водоотведения, повторное использование в основной технологии очищенной СВ, ценных сырьевых компонентов - серной и плавиковой кислот;

3) разработаны технологические параметры высокоэффективной локальной обработки СВ производств по выпуску стекломатериалов на базе процесса электромембранного разделения сырьевых компонентов с целью их повторного использования в производстве.

Объектами исследования и экспериментальной проверки полученных результатов были предприятия: по выпуску стекловолокна и стеклоткани - ЗАО НПО «Стеклопластик» (г. Зеленоград, Московской обл.) и ООО «Бау Текс» (г. Гусь-Хрустальный, Владимирской обл.); по выпуску бронированного стекла - ООО «Магистраль» (г. Гусь-Хрустальный, Владимирской обл.) и ЗАО Фирма «Символ» (г. Курлово, Владимирской обл.).

Свидетельством практического значения работы являются заключения о возможности внедрении ее результатов на: ООО «Бау Текс» (г. Гусь-Хрустальный, Владимирской обл.) и ЗАО Фирма «Символ» (г. Курлово, Владимирской обл.).

Изучение эффективности электромембранного метода обработки СВ производств по выпуску стекломатериалов проводили на базе ЗАО НПО «Баромембранные технологии (БМТ)», г. Владимир.

Надежность результатов и достоверность выводов.

Надежность полученных результатов обеспечена: 1) использованием классического аппарата математического описания основных термодинамических закономерностей процессов в жидкофазных системах, 2) использованием исходных данных, описывающих технологические процессы, полученных на действующих в настоящее время промышленных предприятиях, 3) применением современной вычислительной техники на базе персональных компьютеров. Достоверность и обоснованность выводов и рекомендаций, сделанных в работе, обусловлена их соответствием фундаментальным представлениям о способах ресурсосбережения в промышленности.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на: научной конференции «Молодая наука - развитию Ивановской области», г. Иваново, ИВГУ, 2005 г., IV Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука региону», г.Вологда, ВоГТУ, 2006 г., the 5-th China-Russia-Korea International Symposium On Chemical Engineering and New Material Science, Ivanovo, Rassia. ISUCT, 2007, 1-ой Междунар. научной конф. «Современные методы в теоретич. и эксперим. электрохимии», Плес, Ивановская обл., Россия, 23-27 июня 2008 г., «Наукоемкие химич.-ие технологии-2008». Тез. докл. XII Междунар. научно-техн. конф. г. Волгоград, 09-11 сент. 2008 г., с. 284., the XVII International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia. Kazan. Russian Federation. June 29- July 3. 2009.

На защиту выносятся:

1) структура ресурсосберегающей системы водного хозяйства производств по выпуску стекломатериалов (стекловолокна, стеклоткани, бронированного стекла);

2) методика оптимизации поэтапного проектирования ресурсосберегающих ВХТС при использовании термодинамического эксергетического анализа в условиях обработки значительного массива данных по вариантам разделения - смешивания водных технологических потоков;

3) способы ресурсосбережения при проведении технологических процессов на производствах по выпуску стекломатериалов: снижение удельных норм водопотребления и водоотведения, повторное использование в основной технологии очищенной СВ, сырьевых компонентов - серной и плавиковой кислот;

4) технология высокоэффективной локальной обработки СВ производства стекломатериалов на базе процесса электромембранного разделения компонентов.

Личный вклад автора заключается в: совместном с руководителем участии в формулировке цели и задач исследования; проведении мониторинга и эколого-технологического анализа функционирования ряда действующих производств по выпуску стекломатериалов; получении и обработке экспериментальных данных по разработке структуры ресурсосберегающей ВХТС производства по выпуску стекломатериалов; получении и обработке экспериментальных данных по исследованию физико-химических особенностей электромембранного метода обработки СВ производств по выпуску стекломатериалов; разработке технологии высокоэффективной локальной обработки СВ производства стекломатериалов на базе процесса электромембранного разделения компонентов; обсуждении результатов работы и ее апробации.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 3 работы - в изданиях, рекомендованных ВАК для защиты кандидатских диссертаций.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 160 страницах, содержит 36 рисунков, 28 таблиц; состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав, основных результатов и выводов, списка используемой литературы (163 наименования) и приложения.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемой проблемы, дана краткая характеристика экологических проблем производств по выпуску стекломатериалов, показана необходимость внедрения в производство ресурсосберегающих ВХТС.

В разделе «Общая характеристика работы» сформулированы цель и задачи исследования, обоснованы научная новизна и практическое значение работы.

Первая глава посвящена эколого-технологическому анализу производственных процессов действующих предприятий по выпуску стекломатериалов и содержит 4 раздела.

В первом разделе дан анализ основных технологических процессов производств по выпуску стекломатериалов и их экологической опасности. В результате проведенного мониторинга показано, что данные производства представляют серьезную экологическую опасность, особенно в отношении воздействия на гидросферу.

Во втором разделе проведен анализ способов организации и режимов эксплуатации систем водопотребления и водоотведения производств по выпуску стекломатериалов. Приведены аргументы в пользу организации замкнутых систем водоснабжения с повторно-последовательным использованием технологической воды. Установлено, что на многих предприятиях традиционным подходом к организации систем водного хозяйства является использование прямоточного водоснабжения и объединение потоков отработанной технологической воды отдельных подразделений (цехов, участков). На многих предприятиях отсутствует оборотное водоснабжение.

Третий раздел посвящен анализу качества СВ производств по выпуску стекломатериалов, выбору критериальных ЗВ, их характеристики с точки зрения экологической опасности. Показано, что данные производства являются источниками попадания в технологическую воду и природные водоемы специфических ЗВ, а качественный состав СВ по основным ингредиентам, чаще всего, не отвечает требованиям на сброс в системы водоотведения населенных пунктов. Нарушения санитарных норм при отведении сточных вод наблюдается в основном, по таким ингредиентам, как минеральные кислоты и их соли, ПАВ, замасливатели, нефтепродукты.

В четвертом разделе проанализирован спектр существующих способов обработки СВ производств по выпуску стекломатериалов и их эффективность. Установлено, что для очистки СВ предприятий по выпуску стекломатериалов применяют реагентные, сорбционные, ионообменные, электромембранные методы обработки. Особо подчеркнуто, что достаточно перспективными являются методы, использующие процессы мембранной технологии.

Во второй главе рассмотрена методология проектирования ресурсосберегающих ВХТС производств по выпуску стекломатериалов.

В первом разделе обоснованы принципы проектирования ресурсосберегающих ВХТС промышленных предприятий.

Второй раздел посвящен рассмотрению метода термодинамического эксергетического анализа проектирования ресурсосберегающих ВХТС предприятий по выпуску стекломатериалов. Удобной характеристикой в этом случае может быть величина эксергии - технической работоспособности, максимальной способности системы к совершению работы с учетом взаимодействия с окружающей средой:

, (1)

где: , и - соответственно энтальпия, энтропия и абсолютная температура системы (индекс «0» означает состояние системы в условиях окружающей среды).

Величина потери эксергии, , при смешивании водных потоков для идеальных растворов может быть рассчитана как:

 (2)

где: - теплота смешивания; - молярный расход вещества, содержащегося в водном потоке, (моль/час); - мольная доля ЗВ, содержащегося в водном потоке.

Т.к. потоки СВ чаще всего являются разбавленными растворами (концентрация ЗВ порядка 0,001 - 1 г/л.), то уравнение 2 можно записать в виде:

(3)

где: - массовый расход вещества в водном потоке (кг/час); - молекулярная масса вещества в водном потоке (кг); индекс относится к данному виду компонента (ЗВ), а индекс - к набору всех компонентов (ЗВ), содержащихся в водных потоках.

Эта аппроксимация возможна, так как для выбора последовательности процессов обработки водных потоков представляет интерес не истинное значение потери эксергии, а ее относительные величины, %, для рассматриваемых вариантов:

, (4)

где - изменение потери эксергии в процессе смешивания водных потоков, определяемое как:

, (5)

где: и - эксергия жидкофазной системы до смешивания и после объединения индивидуальных потоков.

В качестве термодинамически обоснованных должны быть выбраны такие технологические схемы взаимодействия водных потоков, которым отвечают минимальные значения величины .

В настоящее время исследователи, работающие в области эксергетического анализа, учитывают, в основном, влияние изменения эксергии крупных потоков вещества и энергии в масштабе производства в целом. Практически отсутствуют работы по учету влияния вклада изменения эксергии при разделении - смешивании частных подпотоков производственных подразделений (цехов, участков, производственных линий) и отдельного технологического оборудования. В ходе данной работы проведено исследование по учету такого вклада.

В третьем разделе рассмотрен термодинамический водный пинч-метод проектирования ресурсосберегающих ВХТС водопотребления и водоотведения производств по выпуску стекломатериалов. В настоящее время пинч-анализ зарекомендовал себя в качестве эффективного инструмента проектирования ресурсосберегающих систем водного хозяйства промышленных предприятий и успешно применяется для этих целей в Великобритании, России, Италии, ЮАР, Украине, Польше, Румынии.

В третьей главе изложена процедура проектирования интегрированной ресурсосберегающей ВХТС (И-ВХТС) производства по выпуску стекломатериалов.

Первый раздел посвящен разработке структуры И-ВХТС производства по выпуску стекломатериалов.

В табл. 1. приведены исходные данные для проектирования структуры целевой И-ВХТС производства по выпуску стекломатериалов на базе индивидуальных ВХТС (соответствующих отдельным технологическим участкам).

При проектировании во внимание принимали не только данные для трех основных потоков (ВХТС-1, ВХТС-2, ВХТС-3), но и для частных подпотоков этих технологических участков - в сумме для 12-ти подпотоков (см. табл. 1). Такая детализация имеет целью повышение надежности результатов проектирования и расширяет возможности при принятии решения об оптимальном варианте разделения - смешивания водных технологических потоков производства в целом.

Таблица 1 Исходные данные для проектирования структуры целевой И-ВХТС производства по выпуску стекломатериалов

№ ВХТС	Технол. операция	Q, м3/сут м3/час	Свх, мг/л	Свых, мг/л	m, кг/час
1	2	3	4	5	6
1. Участок выщелачивания стекловолокна
1.1	Центрифугирование, отмывка и обезвоживание	18,0 1,0	10	100	0,090
1.2	Ванна промежуточной промывки 1	36,0 2,0	10	1400	2,78
1.3	Ванна промежуточной промывки 2	36,0 2,0	10	1400	2,78
1.4	Ванна промывки	36,0 2,0	10	3000	5,98
Итого	126,0 7,0			11,63
2. Участок выщелачивания стеклоткани
2.1	2. Ванна промывки	108,0 6,0	10	400	2,34
2.2	1. Ванна промывки	108,0 6,0	10	600	3,54
2.3	1. Ванна промежуточной промывки	36,0 2,0	600	2000	2,80
2.4	2. Ванна промежуточной промывки	36,0 2,0	400	3000	5,20
Итого	288,0 16,0			13,88
3. Участок травления в производстве бронированного стекла
3.1	Промывка осадка регенерирующего раствора (мешочный фильтр)	0,03 0,0025	2,0	300	0,001
3.2	Промывка ионообменного фильтра - 2 порция	0,4 0,033	2,0	400	0,013
3.3	Промывка ионообменного фильтра 1- порция	0,4 0,033	2,0	5500	0,18
3.4	Промывка стекла а ванне улавливания (ванна промывки-улавливания)	1,01 0,084	30	10000	0,84
Итого	1,84 0,15			1,032

С целью разработки оптимального технико-эколого-экономического варианта проекта И-ВХТС производства по выпуску стекломатериалов нами проведен численный эксперимент, задачей которого явилась разработка многовариантного набора параметров рассматриваемой И-ВХТС.

В ходе работы нами развит термодинамический эксергетический метод анализа при проектировании ресурсосберегающих ВХТС промышленных предприятий. В частности, предложена методика оптимизации поэтапного проектирования ресурсосберегающих ВХТС при использовании термодинамического эксергетического анализа в условиях обработки значительного массива данных по вариантам разделения - смешивания водных технологических потоков. Расчет параметров И-ВХТС проводили с помощью пакета прикладных программ. Результаты обработки данных численного эксперимента приведены в табл. 2.

Таблица 2 Результаты расчета параметров структуры И-ВХТС

Технологические операции	mЗВ, кг/час	MН2О, кг/час	XЗВ	ХН2О	?Eх, КДж/час	%?Ех, %
1	2	3	4	5	6	7
ВХТС-1 (участок выщелачивания стекловолокна - В)	11,63	126000	0,084	0,92	-39,86
ВХТС-2 (участок выщелачивания стеклоткани - Т)	13,88	288000	0,046	0,95	-56,3
ВХТС-3 (участок травления в производстве бронированного стекла - БС)	1,032	1840	0,36	0,64	-1,88
Смешивание (В+Т)	25,51	414000	0,058	0,94	-97,37	1,26
Смешивание (В+БС)	12,66	127840	0,09	0,91	-42,55	1,94
Смешивание (Т+БС)	14,91	289840	0,049	0,95	-59,54	2,34
Смешивание (В+Т+БС)	26,54	415840	0,060	0,94	-100,40	2,41

Анализ полученных результатов позволяет предложить оптимальный вариант сети технологических потоков производства стекломатериалов и разработать структуру его И-ВХТС, функциональная схема которой приведена на рис. 1. В соответствии с этой схемой: потоки отработанной технологической воды участков выщелачивания стекловолокна и стеклоткани смешиваются и проходят последующую обработку на локальных очистных сооружениях (ЛОС) ЛОС-1. Поток СВ участка травления в производстве бронированного стекла раздельно отводится и очищается на ЛОС-2.

Как показывают результаты использования предложенной нами технологии очистки отработанной воды отдельных подразделений производства по выпуску стекломатериалов (см. ниже), основной объем очищенных СВ направляется на повторное использование в технологических процессах производства по выпуску стекломатериалов. Оставшаяся часть обработанной на ЛОС-1 и ЛОС-2 воды (до 10 %) сбрасывается в систему водоотведения населенного пункта с показателями, соответствующими санитарным нормам водоотведения. Объем свежей воды, равный объему сброшенных очищенных СВ, направляется на подпитку оборотной системы водного хозяйства производства стекломатериалов.

Рис. 1 Функциональная схема интегрированной ресурсосберегающей химико-технологической системы водного хозяйства производства стекломатериалов

Во втором разделе изложена процедура многовариантного поэтапного проектирования ресурсосберегающей ВХТС-1 участка выщелачивания стекловолокна (операции выщелачивания серной кислотой). На базе анализа результатов численного эксперимента предложена оптимальная схема повторно-последовательного водопотребления и водоотведения (см. рис. 2, а) со значением целевого объема потребления свежей воды, равным 4,036 м3/час. При этом экономия объема потребляемой воды по сравнению с действующей в настоящее время (7,0 м3/час) составляет 42 %

В третьем разделе проведена аналогичная процедура проектирования ресурсосберегающей ВХТС-2 участка выщелачивания стеклоткани (операции выщелачивания серной кислотой). Оптимальный вариант проекта свидетельствует о целесообразности применения схемы повторно-последовательного водопотребления и водоотведения линии выщелачивания стеклоткани (см. рис. 2, б). В результате рекомендуется установление целевого объема потребления свежей воды 5,950 м3/час с экономией объема потребляемой воды по сравнению с действующим в настоящее время расходом (16,0 м3/час) на уровне 63 %.

Четвертый раздел посвящен изложению процедуры проектирования ресурсосберегающей ВХТС-3 участка травления в производстве бронированного стекла (операции травления плавиковой кислотой). В результате многовариантного поэтапного проектирования разработан оптимальный вариант повторно-последовательной схемы водопотребления и водоотведения (см. рис. 2, в) со значением целевого объема водопотребления, равного 0,103 м3/час. Экономия потребляемой свежей воды по сравнению с действующим в настоящее время в производстве суммарным ее расходом (0,15 м3/час) составляет 31 %.



Рис. 2 Результаты проектирования ресурсосберегающих ВХТС: решетчатые диаграммы и функциональные схемы оптимального варианта проекта: а) участка выщелачивания стекловолокна; б) участка выщелачивания стеклоткани; в) участка травления в производстве бронированного стекла.

В пятом разделе приведены результаты исследования процесса электромембранного метода обработки СВ производства стекломатериалов с целью регенерации ценных сырьевых компонентов - минеральных кислот. Для установления параметров проведения процесса обработки СВ изучена эффективность использования в данных условиях ряда мембран отечественного и зарубежного производства, устойчивых к воздействию агрессивных сред. На рис. 3 представлены данные по зависимостям изменения эффективности отечественных мембран МА-40 и МАЛ-2 по анионам SO42- и F- от плотности тока, а также изменения концентрации этих анионов в анодной и катодной камерах аппарата от времени обработки СВ.

Рис. 3 Изменение параметров процесса электромембранной обработки СВ производства стекломатериалов: а) для участков выщелачивания стекловолокна и стеклоткани (регенерация серной кислоты); б) для участка травления в производстве бронированного стекла (регенерация плавиковой кислотой); изменение концентрации анионов от времени процесса приведено в случае использования мембраны МА-40

Видно, что эффективность мембран возрастает во всем интервале увеличения плотности тока. Однако, при увеличении токовой нагрузки в случае обработки СВ участков выщелачивания стекловолокна и стеклоткани до величины 4 А/дм2 наблюдается выпадение осадка, предположительно, силикат-содержащих соединений, препятствующего эффективному протеканию процесса. Кроме того, при повышенной плотности тока значительно увеличивается разогрев объема обрабатываемых СВ (это особенно нежелательно в случае регенерации достаточно летучей плавиковой кислоты). В этой связи для проведения процесса обработки СВ участков выщелачивания стекловолокна и стеклоткани нами рекомендована величина рабочей плотности тока на уровне 3,5 А/дм2, а для проведения процесса обработки СВ участка травления в производстве бронированного стекла - на уровне 3,0 А/дм2.

При рекомендуемых величинах плотности тока эффективность мембраны МА-40 незначительно уступает эффективности мембраны МАЛ-2, однако, следует заметить, что стоимость мембраны МА - 40 значительно ниже стоимости мембраны МАЛ-2. В этой связи нами изучена зависимость изменения концентрации сульфат- и фторид- ионов в анодной и катодной камерах аппарата от времени процесса при рекомендуемых значениях плотности тока с использованием мембраны МА-40. Из данных рис. 3 видно, что в анодной камере за время процесса, равное 24 часа, концентрирование сульфат- ионов достигает значения 170 г/л, а фторид- ионов - 135 г/л. Однако, учитывая достаточно незначительный рост величины концентрирования за последние 8 - 10 часов процесса обработки СВ, можно рекомендовать рабочее значение времени проведения регенерации серной кислоты: 12-14 часов, плавиковой: 15-17 часов.

Регенерированные кислоты (в объеме до 80-85%) целесообразно повторно использовать в основных технологических процессах производства стекломатериалов.

Четвертая глава посвящена анализу санитарной безопасности и эколого-экономической эффективности И-ВХТС производств стекломатериалов.

В первом разделе проведена оценка санитарной безопасности И-ВХТС производств стекломатериалов. Показано, что в результате предложенных технических решений качество очищенной воды будет соответствовать качеству технологической воды, используемой в основном производстве, а также качеству воды, отводимой в систему канализации населенного пункта.

Во втором разделе проведена оценка эколого-экономической эффективности И-ВХТС производств стекломатериалов (см. табл. 3). Показано, что высокая эколого-экономическая эффективность разработанной ресурсосберегающей И-ВХТС достигается за счет значительного сокращения: 1) объема потребления свежей воды, 2) объема отведения СВ, 3) массы ЗВ, сбрасываемыми в водоемы со СВ, 4) объема приобретаемых предприятиями травильных реагентов - серной и плавиковой кислот, 5) ущерба водным ресурсам от сбросов ЗВ.

Общий эколого-экономический эффект от внедрения И-ВХТС стекольного производства составит 25188 тыс. руб./год.

Таблица 3 Эколого-экономическая эффективность интегрированной ресурсосберегающей химико-технологической системы водного хозяйства производства стекломатериалов

№ п/п	Показатели	Ед. измерения	Базовый вариант	Проектный вариант
1	2	3	4	5
1.	Потребление свежей воды	м3/год	122673	5347
2.	Отведение сточных вод	м3/год	116539	5079
3.	Плата за потребление свежей воды	тыс.руб/год	2096,5	91,4
4.	Плата за сброс сточных вод в систему водоотведения	тыс.руб/год	1 861,1	81,1
5.	Экономия денежных средств за потребление свежей воды	тыс.руб/год	2 005,1
6.	Экономия денежных средств за отведение сточных вод	тыс.руб/год	1 780,0
7.	Предотвращенный ущерб водным ресурсам	тыс.руб/год	214,0
8.	Экономия денежных средств за приобретение кислот	тыс.руб/год	21188,9
9.	Общий эколого-экономический эффект	тыс.руб/год	25188

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1) Проведен комплексный эколого-технологический анализ производственных процессов действующих предприятий по выпуску стекломатериалов (стекловолокна, стеклоткани, бронированного стекла); осуществлен мониторинг их систем водопотребления и водоотведения; показано, что данные производства являются источниками экологической опасности, оказывая существенное отрицательное воздействие на состояние природных водных объектов.

2) Показана возможность применения методологии, основанной на термодинамическом подходе, для проектирования ресурсосберегающей химико-технологической системы водного хозяйства производства стекломатериалов.

3) Развит термодинамический эксергетический метод анализа при проектировании ресурсосберегающих химико-технологических систем водного хозяйства промышленных предприятий: предложена методика оптимизации поэтапного проектирования в условиях обработки значительного массива данных по вариантам разделения - смешивания водных технологических потоков.

4) На базе термодинамического водного пинч-метода проектирования высокоэффективных ресурсосберегающих химико-технологических систем водного хозяйства промышленных предприятий предложены схемы повторно-последовательного использования технологической воды в производстве стекломатериалов с целью обеспечения существенного сокращения удельных нормативов потребления свежей воды и отведения сточных вод (на 92-96%).

5) Исследованы физико-химические закономерности электромембранной обработки сточных вод производств по выпуску стекломатериалов, установлены параметры процесса с целью извлечения и повторного использования серной и плавиковой кислот в производстве. Рекомендуемые параметры обработки сточных вод составляют: в случае регенерации серной кислоты - плотность тока 3,5 А/дм2, время процесса 12-14 часов; в случае регенерации плавиковой кислоты - плотность тока 3,0 А/дм2, время процесса 15-17 часов.

6) Разработана ресурсосберегающая химико-технологическая система водного хозяйства производства стекломатериалов, включающая подсистемы: разделения-смешивания индивидуальных водных технологических потоков; повторно-последовательного использования технологической воды; высокоэффективной электромембранной обработки сточных вод с целью регенерации (до 80-85%) ценных сырьевых компонентов - серной и плавиковой кислот; водооборотной системы технологической воды.

7) Проведена оценка эколого-экономической эффективности предлагаемых инновационных технических решений при организации ресурсосберегающей химико-технологической системы производства стекломатериалов, которая составила 25188 тыс. руб. в год.

8) Получены заключения о возможности внедрения результатов работы на ООО «Бау Текс» (г. Гусь-Хрустальный, Владимирской обл.) и ЗАО Фирма «Символ» (г. Курлово, Владимирской обл.).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Усанова О.А. Изучение эффективности электромембранного метода регенерации плавиковой кислоты из сточных вод стекольного производства. / О.А. Усанова, В.Ф. Павлова, А.В. Невский. // «Молодая наука - развитию Ивановской области». Тез. Докл. Научн. Конф. г. Иваново, ИВГУ, 2005, с. 227-230.

2. Усанова О.А. Ресурсосберегающие технологии травильных операций стекольного производства. / О.А. Усанова, В.Ф. Павлова, А.В. Невский, В.А. Шарнин // «Вузовская наука региону». Сб. матер. IV Всеросс. Научно-техн. Конф. г. Вологда, ВоГТУ, 2006, с. 515-517.

3. Nevsky A.V. Optimization of designing and operation of water energy-resource-saving chemical processes. /A.V. Nevsky, V.A. Sharnin, O.V. Kashina, M.V. Bushuev , O.A. Usanova // Proceed. Of the 5-th China-Russia-Korea Int. Symp. On Chem. Engineering and New Material Science. - Ivanovo, Russia. ISUCT, 2007. - P. 74-77.

4. Невский, А.В. Энергоресурсосберегающие технологии на базе электромембранного разделения растворов. / А.В. Невский, О.А. Усанова, В.Ф. Павлова. //Тез. докл. 1-ой Междунар. научной конф. «Современные методы в теоретич. и эксперим. электрохимии», Плес, Ивановская обл., Россия, 23-27 июня 2008 г., с. 85.

5. Невский, А.В. Информационная система анализа и синтеза энергоресурсосберегающих водопотребляющих химико-технологических процессов. / Невский А.В., Шарнин В.А., Бушуев М.В., Усанова О.А. //«Наукоемкие химич.-ие технологии-2008». Тез. докл. XII Междунар. научно-техн. конф. г. Волгоград, 09-11 сент. 2008 г., с. 284.

6. Nevsky A.V. Thermodynamic approach to designing energy-resource-saving in water-use chemical processes. / A.V. Nevsky, V.S. Vatagin, V.A. Sharnin, О.А. Usanova, M.V. Bushuev. // XVII International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia. Kazan. Russian Federation. June 29- July 3. 2009. Abstracts. V.1. P. 186.

7. Усанова, О.А. Интегрированная ресурсосберегающая система водопотребления и водоотведения стекольного производства. / О.А. Усанова, М.В. Бушуев, А.В. Невский, В.А. Шарнин // Вестник МИТХТ. 2009 г., т. 4, № 3. С. 113 - 117.

8. Осадчий Ю.П. Энергоресурсосберегающие технологии на базе мембранного разделения отработанных растворов. / Ю.П. Осадчий, С.В. Федосов, А.В. Невский, В.Н. Блиничев, О.А. Усанова. // Экология и промышленность России. 2009 г., № 6. С. 44 -45.

9. Усанова, О.А. Интегрированная ресурсосберегающая система водопотребления и водоотведения стекольного производства. / О.А. Усанова, М.В. Бушуев, А.В. Невский, В.А. Шарнин. // Водоочистка, водоподготовка, водоснабжение. 2009 г., №7. С. 9 - 14.

10. Невский, А.В. Термодинамический подход к проектированию энергосберегающих химико-технологических систем водопотребления. / А.В. Невский, В.С. Ватагин, В.А. Шарнин, О.А. Усанова, М.В. Бушуев. //Вестник Казанского технологического университета. - 2010, № 2. - С. 145 - 149.

11. Невский, А.В. Методология анализа и синтеза энергоресурсосберегающих водопотребляющих технологических процессов. / Невский А.В., Шарнин В.А., Бушуев М.В., Усанова О.А. // Материалы междунар. научно-практич. конф. «Проблемы и инновационные решения в химической технологии». г. Воронеж, ВГТА, 30 июня - 2 июля 2010. - С. 240 - 241.

Размещено на Allbest.ru

...